چشم انداز تولید باتری های نسل آینده

جایگزین باتری های لیتیوم-هوا با باتری های لیتیوم یونی

دانشمندان موفق به ساخت باتری‌های پرقدرتی در ذخیره انرژی الکتریکی با استفاده از فناوری لیتیوم- هوا شدند.این باتری‌هابرای تامین انرژی باتری خودروها و سایر لوازم برقی نیازمند انرژی بالا در حالت آزمایشگاهی ساخته شده است.

دانشمندان با بررسی اولین نمونه آزمایشگاهی باتری لیتیوم- هوا، دریافتند که قدرت ذخیره و بازیابی انرژی در این نوع باتری به رقم قابل توجه 93 درصد رسیده است. و می‌توان این نسل جدید باتری‌ها را حدود 2000 بار تخلیه و شارژ کرد.

البته به گفته کاشفان این پروژه: با اینکه این فناوری هنوز در مراحل اولیه است. اما با آزمایش‌های انجام شده مشخص شد که می‌توان نیاز روزافزون وسایل پرتابل به انرژی الکتریکی را برطرف کرد.

آزمایش‌های مختلف و همه‌جانبه‌ای که برای تعیین کارآیی نسل جدید باتری خودرو به انجام رسیده است نشان می‌دهد که این باتری به رانندگان وسایل نقلیه الکتریکی (EV) اجازه خواهد داد تا مسیرحدود 650 کیلومتر را تنها با یکبار شارژ بپیمایند.
این باتری نه تنها می تواند مسافت غیر ممکن را خواهد پیمود، بلکه در عین حال 3 ویژگی بسیار مهم دیگر نیز به همراه خود دارد.

1. باتری‌های نسل جدید از نظر هزینه تولید و قیمت تمام شده، یک‌پنجم باتری‌های کنونی در حال استفاده در خودروهای الکتریکی می باشد.
2.  وزن این باتری‌ها یک‌پنجم وزن باتری‌های مورد استفاده فعلی در خودروهای برقی است که با عنوان «باتری‌های لیتیوم‌یونی» شناخته می‌شوند.
3. این باتری دسترسی به بالاترین ظرفیت چگالی انرژی (قابلیت تراکم و ذخیره‌سازی انرژی) را ممکن کرده است. و این ظرفیت، چیزی حدود ۱۰ برابر ظرفیت باتری‌های لیتیوم ـ یونی رایج فعلی است. به عبارت دیگر انرژی قابل حصول از باتری‌های لیتیوم ـ اکسیژن جدید مشابه و معادل مقدار انرژی است که از بنزین می‌توان به‌دست آورد.

باور محققان بر ارزان بودن قیمت باتری های نسل آینده

نظریه جدیدی بر این باور است که عنصری به نام «پتاسیم» می تواند جایگزین ارزانتری برای باتری های نوع لیتیوم یون شود

برای چندین دهه، مردم تصور نمی کردند که پتاسیم بتواند همراه با گرافیت در باتری ها به کار گرفته شود. البته شیمیدانان همچنان در حال کار بر روی سلول های متشکل از پتاسیم و گرافیت هستند.

در صورتی که این آزمایشات به نتیجه برسند، با قابلیت های بسیار گسترده ای رو به رو خواهیم بود. چرا که پتاسیم تا ۸۸۰ برابر بیشتر از لیتیوم در دسترس است. به همین دلیل، جدا از عمر بیشتر این باتری ها، قیمت آنها نیز تا حد بسیار زیادی با کاهش رو به رو خواهد شد.

البته این موضوع به سادگی محقق نخواهد شد چرا که اتم های موجود در پتاسیم بسیار بزرگتر از اتم های موجود در لیتیوم هستند. در نتیجه، ترکیب آنها با گرافیت و تشکیل یک سلول را بسیار دشوار می سازند. بر همین اساس محققان در پی یافتن و ترکیب نوعی کربن دیگر با پتاسیم نیز هستند.

البته ممکن است قدرت خروجی تکنولوژی های جدید باتری هیچوقت به قدرت باتری های لیتیومی نرسند اما دارای چرخه زندگی طولانی تر، عمر بیشتر پس از هر شارژ و هزینه ساخت کمتر خواهند بود.

10 برابر شدن عمر باتری ها با الکترودهای کربنی

اخیرا دانشمندان به ساخت الکترودهای کربنی پرزداری شده اند که ساخت نسل جدیدی از باتری ها را ممکن می کنند.استفاده از فناوری جدید ممکن است عمر باتری های لیتیومی را تا ده برابر افزایش دهد، هر چند هنوز تا تکمیل ساخت این نوع باتری ها به 10 سال زمان نیاز است.

در ساخت باتری های جدید از فناوری لیتیوم یدید استفاده شده است که از واکنش های شیمیایی غیر منتظره پیشگیری شود. این ماده  نیز بر پایداری و کارآیی باتری ها می افزاید و حتی در صورت شارژ مکرر آنها از نگهداری شارژ باتری کم نمی شود.

البته هنوز این باتری ها دارای مشکلاتی هستند که از جمله آنها می توان انفجار باتری در صورت قرار گرفتن در کنار برخی مواد خاص اشاره کرد.

استفاده از پیریت برای شارژ بهینه باتری های لیتیوم ـ یون

گروهی دیگر از محققان، در تحقیق بر روی باتری های نسل آینده به این نتیجه رسیدند که با تزریق نانوکریستال های پیریت به درون باتری های لیتیوم ـ یون نسل بعدی باتری تولید خواهد شد. کریستال های پیریت دارای ضخامت 4.5 نانومتر بوده و خواصی همانند آهن از خود نشان می دهند. و این امر منجر به تبادل کاتیون در درون باتری می گردد. استفاده از پیریت ویژگی های زیر را در باتری ایجاد خواهد کرد.

1. منجر به افزایش ظرفیت و سرعت شارژ باتری می گردد.
2. علاوه بر آسان بودن این روش، پیریت یکی از مواد فراوان بر روی کره زمین بوده و قیمت آن بسیار ارزان می باشد.
3.  پیش بینی می شود که با این روش ها و پیشرفت های آتی بتوان باتری هایی را تولید کرد که در عرض 30 ثانیه شارژ می شوند.

شرکت هایی نظیر سامسونگ نیز همواره بر روی افزایش عملکرد باتری ها بر روی دستگاه های هوشمند خود تحقیق می کنند. تنها ایرادی که در استفاده از پیریت وجود دارد این است که این ماده تنها قادر به تقویت باتری در طی چند چرخه شارژ می باشد. و نمی توان از آن در دستگاه هایی نظیر تبلت ها و گوشی های هوشمند که به طور متوالی شارژ می شوند استفاده کرد. اما با این حال می توان از آن در ابزارهایی که نیازی به شارژ مجدد نداشته و یا به طور مداوم شارژ نمی شوند استفاده کرد.

ارتقای باتری‌های لیتیومی با هیدروژن

1- محققان دریافتند که هیدروژن به میزان زیادی در بهبود ظرفیت و قابلیت رسانایی باتری‌های لیتیوم و همچنین در افزایش عمر بیشتر باتری‌ها موثر است.

2-این تحقیق همچنین می‌تواند راه را برای ذخیره سازی بهتر گزینه‌های انرژی از جمله خود هیدروژن هموار سازد. پیشرفت‌های جدید حول ارتقای آند‌های نانوفوم گرافن باتری‌های لیتیومی یونی با هیدروژن می‌گردد. مواد گرافن در تولیدات تجاری برای مصارف گوناگون از جمله بسیاری از انواع دستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی مانند باتری‌های لیتیومی یونی ثمربخش هستند.

شایع ترین نوع آن، نانو فوم گرافن سه‌بعدی است که در بسیاری از انواع رسانه‌های ذخیره‌سازی مواد شیمیایی والکتریکی از جمله مخزن‌های هیدروژن، ابرخازن‌ها، جاذب‌های انرژی و باتری‌های لیتیومی استفاده می‌شود. هیدروژن اتمی در تولید گرافن به صورت پسماند باقی می‌ماند، اما نقش آن در برنامه‌های ذخیره‌سازی الکتریکی هرگز به خوبی آنچه قبلا تصور می‌شد نیست.

جاذب‌های هیدروژن به تاثیرگذای بر ساختار گرافن معروف هستند و همچنین باور عمومی بر این است که گرافنی که فاقد آلاینده‌های هیدروژن باشد، رسانا نیست و در واقع در مقابله با نیازهای باتری مانند یک عایق عمل می‌کند.هدف آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور، درک چگونگی تعامل هیدروژن با گرافن در طول تولید است. و اینکه چگونه می‌توان آن را به منظور بهبود کیفیت گرافن برای رسانه‌های ذخیره‌سازی، دستکاری کرد.

آزمایش این گروه در رابطه با درمان گرافن با هیدروژن در دمای پایین است. نقایص موجود در گرافن که توسط هیدروژن صورت می‌پذیرد، باعث ایجاد دهانه‌های کوچک می‌شود و اجازه می‌دهد که لیتیوم آسان‌تر نفوذ کند.

3-در یک باتری لیتیومی یونی، این امر به بهبود حمل و نقل قدرت باتری و همچنین ویژگی های جذب قدرت کمک می‌کند. علاوه بر این، به این دلیل که لیتیوم به راحتی می‌تواند به نزدیکی لبه‌های مواد گرافن متصل شود، به لطف اثرات هیدروژن، ظرفیت کلی بهبود یافته است.

عملکردی مضاعف در سلول های لیتیوم هوا

دانشمندان به منظور ساخت باتری های کوچک تر، با دوام تر و قوی تر بسیاری از ترکیب های شیمیایی جایگزین را مورد بررسی و آزمایش قرار داده اند. به تازگی در یکی از تحقیق های انجام شده در این زمینه ماده ای مورد بررسی قرار گرفته است که دانشمندان را به این هدف ویژه نزدیک تر می کند.

مولکول های اکسیژن برای تشکیل لیتیوم پروکسید (Li2O2) با لیتیوم یون های دارای بار مثبت واکنش نشان می دهند و به این ترتیب به تولید انرژی الکتریکی می پردازند.

یک سلول لیتیوم بادی ولتاژ خود را از طریق وجود مولکول های اکسیژن (O2) در الکترود مثبت به دست می آورد. مولکول های اکسیژن برای تشکیل لیتیوم پروکسید (Li2O2) با لیتیوم یون های دارای بار مثبت واکنش نشان می دهند و به این ترتیب به تولید انرژی الکتریکی می پردازند. البته باید این نکته را در نظر داشت که الکترون ها از طریق الکترود انتقال پیدا کرده و اگر لیتیوم پروکسید جدیدی در باتری شکل نگیرد، باتری کاملا خالی خواهد شد.

با این وجود لیتیوم پروکسید هادی الکترون نیست. اگر ذخایر لیتیوم پروکسید بر روی سطح الکترود هایی که الکترون های لازم برای واکنش شیمیایی یاد شده تامین می کنند رشد یابد، واکنش یاد شده انجام نخواهد گرفت و در نتیجه باتری خالی خواهد شد. اگر محصول این واکنش (در اینجا لیتیوم پروکسید) در اطراف الکترود ها به نحوی قرار گیرد که سطح آنها را نپوشاند، این مشکل حل خواهد شد.

در حقیقت مکانیزم یاد شده بسیار موثر تر از شارژ دوباره لیتیوم پروکسید هایی است که به سطح الکترود ها متصل شده اند. از آن جایی که الکترون ها نیازمند گذر از سطوح مختلف لیتیوم پروکسید ها نیستند، برای شارژ این نسل باتری ها ولتاژ کم تری نیاز است. ولتاژ کمتر نیز به معنای مصرف انرژی کم تر است. به این ترتیب اگر این باتری های نسل آینده در خودروهای برقی به کار بروند می توانند بسیار کارآمد تر از باتری های کنونی عمل کنند. راهبران این تحقیق بیان کرده اند که میزان بهره وری انرژی در این باتری ها در حدود 90 درصد است.

انعطاف پذیری باتری های نسل جدید موبایل

یکی از چالش های موجود در ساختن گجت‌های پوشیدنی باریک، باتری های نسل آینده مورد نیاز برای تامین قدرت آنهاست. در واقع برای عمر باتری یک روزه، نیاز به باتری‌های بزرگ و حجیم می‌باشد.

با این حال سامسونگ و ال.جی در حال کار بر روی ساخت باتری‌های قابل انعطاف و باریکی هستند که منجر به گجت‌های پوشیدنی سطح بالاتری در آینده خواهد شد. آنها در رویداد InterBattery 2015 در سئول نمونه‌هایی از تلاش خود را به نمایش گذاشتند.

مجموعه‌ی Samsung SDI، بخش باتری سازی این غول کره‌ای، از دو تکنولوژی در این رویداد رونمایی کرد. ابتدا به مدل Band می‌پردازیم که برای اسمارت‌واچ‌ها طراحی شده و می‌تواند تا ۵۰۰۰۰ بار بدون آسیب دیدن خم شود.

سامسونگ در مورد این تکنولوژی گفته است: “هنگامی که این باتری بر روی بندهای ساعت‌های هوشمند اعمال شود، می‌تواند ظرفیت باتری را تا ۵۰ درصد افزایش دهد.” باتری فوق باریک Stripe سامسونگ می‌تواند به طور آزادانه مانند یک فیبر تا شود و مجهز به تراکم انرژی نوآورانه‌ می‌باشد.

این باتری با ضخامت ۰٫۳ میلی‌متر کمی قابل انعطاف‌تر از باتری Band می‌باشد و می‌تواند در گردنبندها، بندهای هوشمند و لباس‌های هوشمند بکار رود.

طبق گزارش‌ها،LG Chem  نیز محصولی را تحت عنوان باتری سیمی ارائه داده است. این باتری در شعاع کمتری قابل تا شدن است که آن را برای بند ساعت‌ها مناسب کرده است.

پژوهشگران چندین سال است که باتری‌های قابل انعطاف را مورد تست و آزمایش قرار می‌دهند. گروهی از مرکز علم وتکنولوژی پیشرفته‌ی کره در سال  ۲۰۱۲، یک باتری لیتیوم-یون تمام فلزی و عملکردی قابل انعطاف را توسعه داده‌اند. چند ماه بعد، گروهی از پژوهشگران ادعای ساخت یک باتری باریک و قابل بسط را کردند که می‌تواند در اندازه تا سه برابر گسترش یابد بدون اینکه از میزان انرژی تولیدی یا عملکرد آن کاسته شود.

منبع: ایسنا